EP3263537A1 - Metall-keramik-substrat und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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EP3263537A1 EP16176347.9A EP16176347A EP3263537A1 EP 3263537 A1 EP3263537 A1 EP 3263537A1 EP 16176347 A EP16176347 A EP 16176347A EP 3263537 A1 EP3263537 A1 EP 3263537A1
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ceramic layer
metal layer
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    • C04B2237/407—Copper

Definitions

  • the present invention relates to a metal-ceramic substrate, in particular a double-sided metallized ceramic substrate, according to the preamble of claim 1 and a method for its production according to the preamble of claim 4.
  • Such metal-ceramic substrates are preferably used in the field of power semiconductor modules.
  • a ceramic substrate such as an aluminum-oxide ceramic, provided on its top and bottom with a metallization, usually at least one metallized side later has a generated, for example, by etching processes circuit structure.
  • the known method for producing these double-sided metallized ceramic substrates is effected by eutectic bonding and is generally referred to as a direct-bonding process.
  • a basic description of a method for producing metallized ceramic substrates by bonding processes for example, the EP 0 085 914 A2 be removed.
  • DCB direct copper bonding
  • a copper foil is first oxidized to yield a substantially uniform copper oxide layer.
  • the resulting copper foil is then positioned on a surface side of a ceramic substrate and the ceramic substrate / copper foil composite is heated to a bonding temperature between about 1025 ° C and 1083 ° C, thereby forming a metallized ceramic substrate.
  • the metallized ceramic substrate is cooled.
  • the production of double-sided metallized ceramic substrates can be effected either via a two-stage bonding process in which first a first surface side of the ceramic substrate is metallized and then a second surface side of the ceramic substrate opposite the first surface side is metallized, or alternatively via a single-stage bonding process in which both surface sides of the ceramic substrate are simultaneously metallized.
  • the DE 10 2010 023 637 B4 describe a method for producing double-sided metallized ceramic substrates in a single method step, wherein a first metal layer, a ceramic substrate and a second metal layer are sequentially positioned in the order indicated on a support, the support at the top facing the array of first and second metal layers and the substrate, having a plurality of protruding lobes tapering in the direction of the first and second metal layer and substrate array.
  • the structuring of the carrier with tips is intended to ensure that the composite of metal layers and ceramic substrate can be detached without residue from the carrier after the two-sided bonding process.
  • a method for producing double-sided metallized ceramic substrates using the direct bonding process in which an array of at least two metal layers and a ceramic substrate disposed between the metal layers is positioned on a provided with a release liner or bonding aid and then the assembly is heated to a temperature at which bonding of the two metal layers to the ceramic substrate occurs.
  • the use of a corresponding separating layer should not lead to a connection of the carrier to the adjacent metal layer of the arrangement.
  • the DE 10 2004 056 879 B4 focusses on the use of particularly flat carriers which have a deviation from an ideally flat plate of less than 0.2% of the carrier length and / or less than 0.1% of the carrier width. These particularly high demands on the carrier to succeed in the production of particularly flat double-sided metallized ceramic substrates. Nonetheless, the resulting double-sided metallized ceramic substrates have a residual bend whose orientation is undefined. In addition, assuming a continuous process for producing double-sided metallized ceramic substrates, the orientation of the residual bend will vary from device to device. The Bending of the resulting double-sided metallized ceramic substrates therefore varies even when using in the DE 10 2004 056 879 B4 described approach both in the longitudinal / transverse direction and in height considerably and is also unoriented.
  • the resulting double-sided metallized ceramic substrates made with asymmetric metal thicknesses (for example, front metal thickness 0.3 mm and back metal thickness 0.2 mm), due to the different metal volumes on the two sides of the substrate after bonding Longitudinal and transverse direction undefined bending, with the thicker metal layer is usually on the concave side.
  • asymmetric metal thicknesses for example, front metal thickness 0.3 mm and back metal thickness 0.2 mm
  • DE 10 2014 215 377 A1 a method for producing a double-sided metallized ceramic substrate, wherein the ceramic substrate and the metal layers are positioned for its manufacture on a support which is inclined and / or curved. Due to the curvature of the carrier and the resulting metallized ceramic substrate should have a defined, substantially constant deflection.
  • the object of the present invention is an improved metal-ceramic substrate and a method for the same Provision to provide, wherein the metal-ceramic substrate a predetermined, defined, that is always a uniform preferred direction of a deflection, in particular substantially at room temperature, as well as a defined, that is predictable, temperature-driven or temperature-dependent change of the deflection should have, which in particular in a subsequent system soldering or chip soldering or when used in a bottomless module plays a role.
  • the invention described below may be applied to any type of substrate, for example, AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (aluminum oxide), and the like, which have a metal layer, for example, Cu (copper) or Al (aluminum) are coated.
  • the metallization can be applied to at least one surface side of the substrate by different methods, for example by AMB (Active Metal Brazing), DCB (Direct Copper Bonding), DAB (Direct Aluminum Bonding), thick-film method and the like. Particularly preferred are DCB and AMB ceramic substrates.
  • substrate is used as a synonym for all the aforementioned types of substrates.
  • a targeted, predictable deflection of the metal-ceramic substrate at room temperature and a specific, predictable, temperature-dependent curve of the deflection achieved by the material properties of the ceramic layer (inhomogeneity) and / or the respective material properties of the two metal layers used (different Dehngrenzen ) are selected specifically.
  • the metal layer here is a layer with a metal content of at least 50%.
  • the metal layer can also be structured (circuitry layout) or not.
  • the yield strength is to be understood as the 0.2% proof strength or elastic limit R p0.2 .
  • the 0.2% proof stress is that (uniaxial) stress at which the residual strain related to the initial length of the respective metal layer is exactly 0.2% after relief. At even higher load, pronounced plastic deformation of the metal layer occurs.
  • the resulting metal-ceramic substrate has a predeterminable, defined, that is, always uniform preferred direction of its deflection, for example, at room temperature and also a defined, that is predictable, temperature-driven or temperature-dependent change in the deflection.
  • the material of the ceramic layer alternatively or additionally in the direction from the metallized surface side to the other metallized surface side have a density gradient and thus a material inhomogeneity.
  • a solvent-containing ceramic slurry is applied in a thin layer on a flat, flat surface, for example a film or a sintering aid, and then dried and sintering, by increasing the solvent level in the ceramic slurry, achieve settling of the already cast slurry.
  • the larger particles of the ceramic slurry on the film side and the smaller particles on the air side settle due to the influence of gravity.
  • the solvent floats upwards. This results in a density gradient in the green body, which persists even after firing and leads to a preferred direction of the deflection of the ceramic.
  • the height and direction of the deflection under the influence of temperature can be adjusted by the choice of sintering aids, the grain size distribution of the ceramic mixture and the selected density difference in the green body.
  • both metal layers have different particle sizes.
  • the grain size can be used to predict the yield strength of each metal layer, even if the metal layers otherwise have an identical material composition and are formed, for example, from the same metal, for example copper.
  • the two metal layers can also have the same thickness.
  • the resulting metal-ceramic substrate then bulges at room temperature in the direction of the fine-grained copper.
  • a density gradient is generated in the green compact in a direction between the bottom and the air side of the ceramic slurry. This density gradient continues even after firing in the ceramic layer and leads to a preferred direction of deflection of the ceramic.
  • the height and direction of the deflection under temperature can be adjusted by the choice of the sintering aids, the grain size distribution of the ceramic mixture, as well as the selected density difference in the green body.
  • the ceramic layer can also be bonded to metal layers having different yield strengths.
  • the yield strength of the respective metal layer is preferably predetermined via the grain size of the metal layer, wherein the metal layers can also be formed from the same metal, for example copper, and moreover can also have the same thickness.
  • An advantageous embodiment of the method provides that the ceramic layer initially occupied only with a metal layer, heated, that is bonded, and is cooled, wherein the cooling takes place with such a large temperature gradient dT / dt that the degradation of thermo-mechanical stresses between the metal layer and the ceramic layer is minimized by plastic flow of the metal layer.
  • the deformation of the ceramic in the first bond and thus the asymmetry can be adjusted.
  • a more or less long ramp with a constant temperature is inserted during the cooling phase. It should be at high temperature, a relaxation of the first metal layer, for example, the copper, and thus the deflection of the semi-finished bonded on one side are minimized.
  • the degradation of the thermo-mechanical stress by plastic flow is minimized.
  • the ceramic layer is first covered only with a metal layer, heated and cooled, wherein the arrangement of the ceramic layer and the metal layer is cold-formed after cooling.
  • Cold deformation of the substrate after the first or second bonding step causes the substrate to be flat upon delivery, but returns to an uncontrolled state of collapacity upon exposure to temperature.
  • the inventors have now recognized that when the cold deformation is applied between the first and second bonds, the scattering of the deflection result in the resulting metal-ceramic substrate is reduced.
  • a still further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the arrangement of the ceramic layer and / or the metal layer (s) is heated and bonded on an underlying, curved bonding aid.
  • the sintering aids contained in the ceramic are able to flow under mechanical stress at the high bonding temperatures and maintain the shape after cooling.
  • the underlying bonding aid in the first and / or second bonding step of the conventional DCB process (or equivalent: the bonding aids in the double-sided bonding process) can be the resulting metal-ceramic substrate give a spatially clearly defined preferred direction of the deflection.
  • a further advantageous embodiment of the method provides that the ceramic slurry is heated and sintered on a curved sintering aid. Firing on pre-curved, domed sintering aids gives the resulting ceramic substrates a desired shape. This is retained after the fire.
  • the three-dimensional shape of the deflection that is to say the preferred direction along and / or transversely to the longitudinal axis of the ceramic substrate, can be defined exactly here.
  • Fig. 1 Ideally illustrates a temperature behavior of the deflection 1 of a produced by a DCB process metal-ceramic substrate according to the invention.
  • the deflection 1 is in Fig. 1 plotted as a function of temperature T.
  • the deflection 1 is positive when it is in the direction of the more plastic metal layer (coarse grain), and negative when it is in the direction of the less plastic metal layer (fine grain).
  • Fig. 1 is a hysteresis curve, wherein the direction indicated by the arrow 2 corresponds to the heating of the metal-ceramic substrate and the direction indicated by the arrow 3 corresponds to the cooling of the metal-ceramic substrate.
  • the two metal layers expand stronger than the ceramic. Neglecting the influence of the grain size on the modulus of elasticity of the copper, no deformation of the substrate will occur due to the symmetry, until the yield strength 4 of the more plasticized metallization side during heating 2 is reached above the temperature T and the difference of the thermal expansion coefficients. At this time, stress relaxation begins by plastic flow in the more plasticized metallization layer, while the metallization layer still deforms largely elastically with a higher yield strength. Thus, the metal-ceramic substrate deforms concavely in the direction of metallization of the higher yield strength (less plastic metal layer).
  • the in Fig. 1 represented parameter a is determined by the difference of the yield strength of the metal layers involved.
  • the metal-ceramic substrate according to the invention is used for the production of electrical circuits, in particular power circuits.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Substrat, insbesondere ein doppelseitig metallisiertes Keramik-Substrat, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
  • Derartige Metall-Keramik-Substrate werden vorzugsweise im Bereich der Leistungshalbleitermodule verwendet. Dabei wird ein Keramik-Substrat, beispielsweise eine Aluminium-Oxid-Keramik, auf ihrer Ober- und Unterseite mit einer Metallisierung versehen, wobei in der Regel mindestens eine metallisierte Seite später eine beispielsweise durch Ätzprozesse erzeugte schaltungstechnische Struktur aufweist. Das bekannte Verfahren zur Herstellung dieser doppelseitig metallisierten Keramik-Substrate erfolgt durch eutektisches Bonden und wird allgemein als Direct-Bonding-Prozess bezeichnet.
  • Eine grundlegende Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von metallisierten Keramik-Substraten durch Bondprozesse kann beispielsweise der EP 0 085 914 A2 entnommen werden. Zum Beispiel wird im Rahmen des Direct-Copper-Bonding-Prozesses (DCB-Prozess) eine Kupferfolie zunächst derartig oxidiert, dass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt. Die resultierende Kupferfolie wird dann auf eine Oberflächenseite eines Keramik-Substrats positioniert und der Verbund aus Keramik-Substrat und Kupferfolie wird auf eine Bondtemperatur zwischen etwa 1025 °C und 1083 °C erhitzt, wodurch es zur Ausbildung eines metallisierten Keramik-Substrats kommt. Abschließend wird das metallisierte Keramik-Substrat abgekühlt.
  • Die Herstellung von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten kann entweder über einen zweistufigen Bondprozess, bei dem zunächst eine erste Oberflächenseite des Keramik-Substrats metallisiert wird und anschließend eine der ersten Oberflächenseite gegenüberliegende zweite Oberflächenseite des Keramik-Substrats metallisiert wird, oder alternativ über einen einstufigen Bondprozess erfolgen, bei dem beide Oberflächenseiten des Keramik-Substrats gleichzeitig metallisiert werden.
  • Beispielsweise ist in der DE 10 2010 023 637 B4 ein Verfahren zum Herstellen von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten in einem einzelnen Verfahrensschritt beschrieben, wobei eine erste Metallschicht, ein Keramik-Substrat und eine zweite Metallschicht nacheinander in der angegebenen Reihenfolge auf einem Träger bzw. einer Bondhilfe positioniert werden, wobei der Träger an der Oberseite, die der Anordnung aus der ersten und zweiten Metallschicht und dem Substrat zugewandt ist, eine Vielzahl von vorspringenden Ansätzen aufweist, die sich in Richtung der Anordnung aus der ersten und zweiten Metallschicht und dem Substrat verjüngen. Durch die Strukturierung des Trägers mit Spitzen soll erreicht werden, dass sich der Verbund von Metallschichten und Keramik-Substrat nach dem beidseitigen Bondprozess rückstandsfrei von dem Träger lösen lässt.
  • Des Weiteren ist aus der DE 10 2004 056 879 B4 ein Verfahren zum Herstellen von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten unter Verwendung des Direct-Bonding-Prozesses bekannt, bei welchem eine Anordnung aus mindestens zwei Metallschichten und einem zwischen den Metallschichten angeordneten Keramik-Substrat auf einem mit einer Trennschicht versehenen Träger bzw. Bondhilfe positioniert wird und dann die Anordnung auf eine Temperatur erwärmt wird, bei dem es zu einem Bonden der beiden Metallschichten mit dem Keramik-Substrat kommt. Durch die Verwendung einer entsprechenden Trennschicht soll es nicht zu einem Verbinden des Trägers mit der anliegenden Metallschicht der Anordnung kommen.
  • Die DE 10 2004 056 879 B4 fokussiert dabei auf die Verwendung von besonders ebenen Trägern, die eine Abweichung von einer ideal ebenen Platte von weniger als 0,2 % der Trägerlänge und/oder von weniger als 0,1 % der Trägerbreite aufweisen. Durch diese besonders hohen Anforderungen an den Träger soll die Herstellung von besonders flachen doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten gelingen. Nichtsdestotrotz weisen die resultierenden doppelseitig metallisierten Keramik-Substrate eine Restbiegung auf, deren Orientierung undefiniert ist. Geht man darüber hinaus von einem kontinuierlichen Verfahren zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten aus, wird die Orientierung der Restbiegung von Anordnung zu Anordnung variieren. Die Durchbiegung der resultierenden doppelseitig metallisierten Keramik-Substrate schwankt daher auch bei Anwendung der in der DE 10 2004 056 879 B4 beschriebenen Vorgehensweise sowohl in Längs-/Querrichtung als auch in der Höhe erheblich und ist darüber hinaus unorientiert.
  • Darüber hinaus weisen die resultierenden doppelseitig metallisierten Keramik-Substrate, die mit asymmetrischen Metalldicken (zum Beispiel Vorderseite Metalldicke 0,3 mm und Rückseite Metalldicke 0,2 mm) hergestellt werden, aufgrund der unterschiedlichen Metallvolumina auf den beiden Seiten des Substrats nach dem Bonden eine in Längs- und Querrichtung undefinierte Biegung auf, wobei in der Regel die dickere Metallschicht auf der konkaven Seite liegt.
  • Die aus diesen Problemen des Standes der Technik resultierenden Schwankungen in den Spezifikationen der resultierenden doppelseitig metallisierten Keramik-Substrate, insbesondere die Durchbiegung, können in den Nachfolgeprozessen sowie der Verarbeitung erhebliche negative Auswirkungen mit sich bringen und sind daher vorzugsweise zu vermeiden.
  • So ist des Weiteren aus der DE 196 15 481 C5 die Verwendung eines bei Raumtemperatur gewölbten, doppelseitig metallisierten Keramik-Substrats bekannt, das abgestützt auf seine Unterseite elastisch in die ebene Form zurückgebogen werden kann, so dass es aufgrund der elastischen Spannung der Keramikschicht dicht und fest gegen eine Fläche einer Metallplatte angelegt werden kann, um eine optimale Kühlwirkung zu gewährleisten.
  • Außerdem beschreibt die DE 10 2014 215 377 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines doppelseitig metallisierten Keramik-Substrats, bei welchem das Keramik-Substrat und die Metallschichten zu dessen Herstellung auf einem Träger positioniert werden, der geneigt und/oder gewölbt ist. Durch die Wölbung des Trägers soll auch das resultierende metallisierte Keramik-Substrat eine definierte, im Wesentlichen konstante Durchbiegung aufweisen.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Metall-Keramik-Substrat und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, wobei das Metall-Keramik-Substrat eine vorherbestimmbare, definierte, das heißt eine stets einheitliche Vorzugsrichtung einer Durchbiegung, insbesondere im Wesentlichen bei Raumtemperatur, sowie eine definierte, das heißt vorherbestimmbare, temperaturgetriebene bzw. temperaturabhängige Änderung der Durchbiegung aufweisen soll, was insbesondere bei einem anschließenden Systemlöten bzw. Chiplöten oder bei der Verwendung in einem bodenlosen Modul eine Rolle spielt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Metall-Keramik-Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
  • Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die nachfolgend beschriebene Erfindung auf jede Art von Substrat angewendet werden kann, zum Beispiel AlN (Aluminiumnitrid), Si3N4 (Siliziumnitrid), Al2O3 (Aluminiumoxid) und dergleichen, die mit einer Metallschicht, zum Beispiel Cu (Kupfer) oder Al (Aluminium), beschichtet sind. Hierbei kann die Metallisierung durch unterschiedliche Verfahren auf wenigstens eine Oberflächenseite des Substrats aufgebracht sein, zum Beispiel durch AMB (Active Metal Brazing), DCB (Direct Copper Bonding), DAB (Direct Aluminum Bonding), Dickschichtverfahren und dergleichen. Besonders bevorzugt werden hierbei DCB- und AMB-Keramik-Substrate. Hierin nachstehend wird der Begriff "Substrat" als Synonym für alle zuvor genannten Substratarten verwendet.
  • Erfindungsgemäß weist ein Metall-Keramik-Substrat eine Keramikplatte oder eine Keramikschicht und zwei an zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten der Keramikschicht flächig befestigte Metallschichten auf, wobei das Material der Keramikschicht in Richtung von der einen metallisierten Oberflächenseite zur anderen metallisierten Oberflächenseite einen Dichtegradienten aufweist und/oder beide Metallschichten unterschiedliche Dehngrenzen aufweisen. Mit anderen Worten wird eine gezielte, vorherbestimmbare Durchbiegung des Metall-Keramik-Substrats bei Raumtemperatur und ein gezielter, vorherbestimmbarer, temperaturabhängiger Verlauf der Durchbiegung erzielt, indem die Materialeigenschaften der Keramikschicht (Inhomogenität) und/oder die jeweiligen Materialeigenschaften der beiden verwendeten Metallschichten (unterschiedliche Dehngrenzen) gezielt gewählt werden.
  • Als Metallschicht ist hierbei eine Schicht mit einem Metallanteil von wenigstens 50 % zu verstehen. Die Metallschicht kann darüber hinaus strukturiert sein (schaltungstechnisches Layout) oder nicht. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter der Dehngrenze die 0,2 %-Dehngrenze bzw. Elastizitätsgrenze Rp0,2 zu verstehen. Die 0,2 %-Dehngrenze ist diejenige (einachsige) mechanische Spannung, bei der die auf die Anfangslänge der jeweiligen Metallschicht bezogene bleibende Dehnung nach Entlastung genau 0,2 % beträgt. Bei noch höherer Last kommt es zu ausgeprägten plastischen Verformungen der Metallschicht.
  • Wird beispielsweise die Vorderseite des keramischen Substrats mit einer Metallschicht einer hohen Dehngrenze und die Rückseite des Substrats mit einer Metallschicht einer niedrigen Dehngrenze beschichtet, zum Beispiel im Rahmen eines Direct-Bonding-Prozesses wie DCB, so wird dies über folgenden Mechanismus zu einer gerichteten Durchbiegung des resultierenden Metall-Keramik-Substrats führen:
    • Beim Abkühlen des Metall-Keramik-Substrats von der Prozess- bzw. Bondtemperatur > 800 °C durchlaufen beide Metallschichten, welche fest mit dem keramischen Substrat verbunden sind, plastische Deformationsprozesse. Dabei wird das Material mit einer hohen Dehngrenze nach Ende des Abkühlprozesses weniger Spannung durch plastische Verformung abbauen als das Material mit einer niedrigen Dehngrenze. Durch die Differenz der Spannungen von Vorderseite zu Rückseite des Metall-Keramik-Substrats ergibt sich eine einstellbare Durchbiegung des Substrats, welche sich durch die Materialparameter gezielt einstellen lässt. So wölbt sich das resultierende Metall-Keramik-Substrat bei Raumtemperatur in Richtung der Metallschicht mit der höheren Dehngrenze.
  • Dementsprechend weist das resultierende Metall-Keramik-Substrat eine vorherbestimmbare, definierte, das heißt eine stets einheitliche Vorzugsrichtung seiner Durchbiegung zum Beispiel bei Raumtemperatur sowie ebenso eine definierte, das heißt vorherbestimmbare, temperaturgetriebene bzw. temperaturabhängige Änderung der Durchbiegung auf.
  • Erfindungsgemäß kann zur Erzielung desselben Ziels das Material der Keramikschicht alternativ oder zusätzlich in Richtung von der einen metallisierten Oberflächenseite zur anderen metallisierten Oberflächenseite einen Dichtegradienten und somit eine Materialinhomogenität aufweisen. So lässt sich beispielsweise bei der Herstellung der Keramikschicht mittels des so genannten Tape-Casting-Prozesses, bei dem eine Lösungsmittel enthaltende Keramikaufschlämmung in einer dünnen Schicht auf eine flache, ebene Oberfläche, zum Beispiel einem Film bzw. einer Sinterhilfe, aufgetragen wird und anschließend getrocknet und gesintert wird, durch Erhöhen des Lösungsmittelanteils in der Keramikaufschlämmung ein Setzen der bereits gecasteten Aufschlämmung erreichen. Mit anderen Worten setzen sich durch den Gravitationseinfluss die größeren Partikel der Keramikaufschlämmung auf der Filmseite und die kleineren Partikel auf der Luftseite ab. Zusätzlich schwimmt das Lösungsmittel nach oben auf. Hierdurch entsteht ein Dichtegradient im Grünling, der auch nach dem Brennen fortbesteht und zu einer Vorzugsrichtung der Durchbiegung der Keramik führt. Höhe und Richtung der Durchbiegung unter Temperatureinfluss lassen sich durch die Wahl der Sinterhilfsstoffe, der Korngrößenverteilung der Keramikmischung, sowie dem gewählten Dichteunterschied im Grünling einstellen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen beide Metallschichten unterschiedliche Korngrößen auf. Über die Korngröße lässt sich die Dehngrenze jeder Metallschicht vorherbestimmen, selbst wenn die Metallschichten ansonsten eine identische Materialzusammensetzung aufweisen und zum Beispiel aus demselben Metall, beispielsweise Kupfer, gebildet sind. Außerdem können die beiden Metallschichten auch dieselbe Dicke aufweisen.
  • So weist zum Beispiel ein Metall-Keramik-Substrat, das auf seiner ersten Oberflächenseite mit einer ersten Kupferschicht mit einem groben Korn von zum Beispiel etwa 200 µm beschichtet ist und auf seiner zweiten Oberflächenseite mit einer zweiten Kupferschicht mit einem feinen Korn von zum Beispiel etwa 30 µm beschichtet ist, einen Unterschied von ca. 20 MPa in der Dehngrenze auf. Das resultierende Metall-Keramik-Substrat wölbt sich dann bei Raumtemperatur in Richtung des feinkörnigen Kupfers.
  • Beispielsweise ist bei einem durch einen DCB-Prozess hergestellten Metall-Keramik-Substrat dessen Durchbiegung als Funktion der Temperatur sowie die Hysterese-Funktion steuerbar. Angenommen wird ein komplett symmetrisches und perfekt flaches Metall-Keramik-Substrat mit einer Metallisierung auf seiner Oberseite mit Rp0,2 = 50 MPa (Feinkorn) und auf seiner Unterseite mit Rp0,2 = 30 MPa (Grobkorn) als einzige Asymmetrie. Durch Aufheizen dehnen sich die beiden Metallschichten gegenüber der Keramik stärker aus. Unter Vernachlässigung des Einflusses der Korngröße auf das E-Modul des Kupfers wird symmetriebedingt keine Verformung des Substrats auftreten, bis über die Temperatur und den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten die Dehngrenze der plastischeren Metallisierungsseite erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Spannungsabbau durch plastisches Fließen in der plastischeren Metallisierungsschicht, während die Metallisierungsschicht mit der höheren Dehngrenze noch weitgehend elastisch verformt. Somit verformt sich das Substrat konkav in Richtung der Metallisierung der höheren Dehngrenze. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur und somit der Spannung zwischen den Metallisierungen und der Keramik wird dann auch die Dehngrenze der Metallisierungsseite mit der höheren Dehngrenze erreicht. Ab diesem Zeitpunkt verformen sich beide Metallisierungsschichten plastisch und die Steigung der Durchbiegung als Funktion der Temperatur flacht ab. Ein derartiges Verhalten ist stark idealisiert in der weiter unten erläuterten Fig. 1 veranschaulicht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats bereitgestellt, wobei das Metall-Keramik-Substrat eine Keramikplatte oder Keramikschicht und zwei an zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten der Keramikschicht flächig befestigte Metallschichten aufweist. Das Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte:
    • Bereitstellen einer Keramikaufschlämmung auf einer Sinterhilfe,
    • Erhitzen der Keramikaufschlämmung auf eine Sintertemperatur, zum Beispiel zwischen etwa 800 °C und 1400 °C, um eine Keramikschicht zu erhalten,
    • Abkühlen der Keramikschicht,
    • Belegen der ersten Oberflächenseite der Keramikschicht mit der ersten Metallschicht und/oder Belegen der der ersten Oberflächenseite gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht mit der zweiten Metallschicht,
    • Erhitzen der in dem vorhergehenden Schritt gebildeten Anordnung aus der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en auf eine Bondtemperatur, beispielsweise zwischen etwa 1025 °C und 1083 °C, zur Ausbildung eines Verbunds zwischen der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en durch Bonden,
    • Abkühlen der Anordnung aus der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en,
    • Wiederholen der vorhergehenden drei Schritte, falls bei diesen lediglich eine Oberflächenseite der Keramikschicht mit einer Metallschicht gebondet wurde, bis beide Oberflächenseiten der Keramikschicht mit jeweils einer Metallschicht gebondet sind,
    wobei die Keramikaufschlämmung mit einem derart hohen Lösungsmittelanteil versehen wird, dass ein Setzen der auf die Sinterhilfe gegebenen Keramikaufschlämmung ermöglicht wird, bei dem sich durch Gravitationseinfluss größere Partikel der Keramikaufschlämmung am der Sinterhilfe zugewandten Boden der Keramikaufschlämmung und kleinere Partikel der Keramikaufschlämmung an der dem Boden abgewandten Luftseite der Keramikaufschlämmung absetzen und/oder die Keramikschicht mit Metallschichten unterschiedlicher Dehngrenzen gebondet wird.
  • Die Vorteile und Wirkungen eines solchen Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den bereits beschriebenen Vorteilen und Wirkungen des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Substrats und gelten somit analog auch für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren.
  • Durch das Versehen der Keramikaufschlämmung mit einem hohen Lösungsmittelanteil und dem dadurch herbeigeführten Setzen der Keramikaufschlämmung entsteht ein Dichtegradient im Grünling in einer Richtung zwischen Boden und Luftseite der Keramikaufschlämmung. Dieser Dichtegradient besteht auch nach dem Brennen in der Keramikschicht fort und führt zu einer Vorzugrichtung der Durchbiegung der Keramik. Höhe und Richtung der Durchbiegung unter Temperatur lassen sich durch die Wahl der Sinterhilfsstoffe, der Korngrößenverteilung der Keramikmischung, sowie den gewählten Dichteunterschied im Grünling einstellen.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung einer wie vorstehend beschriebenen Materialinhomogenität in der Keramikschicht kann diese auch mit Metallschichten unterschiedlicher Dehngrenzen gebondet werden. Hierbei wird insbesondere die Dehngrenze der jeweiligen Metallschicht vorzugsweise über die Korngröße der Metallschicht vorherbestimmt, wobei die Metallschichten auch aus demselben Metall, beispielsweise Kupfer, gebildet sein können und darüber hinaus auch dieselbe Dicke aufweisen können.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Keramikschicht zunächst nur mit einer Metallschicht belegt, erhitzt, das heißt gebondet, und abgekühlt wird, wobei das Abkühlen mit einem derart großen Temperaturgradienten dT/dt erfolgt, dass der Abbau thermomechanischer Spannungen zwischen der Metallschicht und der Keramikschicht durch plastisches Fließen der Metallschicht minimiert wird.
  • Allgemein lässt sich durch gezielte Abkühlkurven während des Bondens beispielsweise mittels des DCB-Prozesses die Verformung der Keramik im ersten Bond und damit die Asymmetrie einstellen. Herkömmlich wird während der Abkühlphase eine mehr oder weniger lange Rampe mit gleichbleibender Temperatur eingefügt. Es soll bei hoher Temperatur eine Relaxation der ersten Metallschicht, zum Beispiel des Kupfers, erfolgen und somit die Durchbiegung des einseitig gebondeten Halbfertigguts minimiert werden.
  • Erfolgt nun eine Abkühlung mit hohem Temperaturgradienten dT/dt gemäß der Erfindung, wird der Abbau der thermomechanische Spannung durch plastisches Fließen minimiert. Je höher der Temperaturgradient dT/dt im Bereich zwischen etwa 1050 °C bis etwa 700 °C ist, desto stärker wird die Keramik verformt (unter 700 °C kann eine Al2O3-Keramik keine plastischen Verformungen mehr in den Sinterhilfsstoffen durchführen; bei DCB-/AMB-Prozessen wird die Metallisierung bei hohen Bondtemperaturen auf die Keramik aufgebracht, wobei es je nach verwendeten Sinterhilfsstoffen zu "Memory-Effekten" der Keramik kommen kann (das Bulkmaterial verbleibt fest, die Sinterhilfsstoffe können unter mechanischer Beanspruchung fließen und behalten die Form nach der Abkühlung bei)). Durch die starke Verformung der einseitig gebondeten Keramik wird im fertigen Metall-Keramik-Substrat eine Vorzugsrichtung in konkaver Richtung der ersten gebondeten Metallschicht erzeugt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Keramikschicht zunächst nur mit einer Metallschicht belegt, erhitzt und abgekühlt, wobei die Anordnung aus der Keramikschicht und der Metallschicht nach dem Abkühlen kaltverformt wird. Eine Kaltverformung des Substrats nach dem ersten oder zweiten Bondschritt führt dazu, dass das Substrat im Auslieferzustand flach ist, nach Temperaturexposition allerdings zu einem unkontrollierten Zustand der Komplanarität zurückkehrt. Die Erfinder haben nun erkannt, dass - wenn die Kaltverformung zwischen dem ersten und zweiten Bond angewendet wird - die Streuung des Durchbiegungsergebnisses im resultierenden Metall-Keramik-Substrat reduziert wird.
  • Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Anordnung aus der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en auf einer unterliegenden, gewölbten Bondhilfe erhitzt und gebondet wird. Wie bereits vorstehend beschrieben, sind die in der Keramik enthaltenen Sinterhilfsstoffe in der Lage, bei den hohen Bondtemperaturen unter mechanischer Beanspruchung zu fließen und die Form nach dem Abkühlen beizubehalten. Durch eine leichte Wölbung der unten liegenden Bondhilfe im ersten und/oder zweiten Bondschritt des herkömmlichen DCB-Verfahrens (oder äquivalent: der Bondhilfen im doppelseitigen Bondprozess) lässt sich dem resultierenden Metall-Keramik-Substrat eine räumlich klar definierte Vorzugsrichtung der Durchbiegung geben.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Keramikaufschlämmung auf einer gewölbten Sinterhilfe erhitzt und gesintert wird. Das Brennen auf vorgekrümmten, gewölbten Sinterhilfen gibt den resultierenden keramischen Substraten eine gewünschte Form. Diese bleibt nach dem Brand erhalten. Die dreidimensionale Form der Durchbiegung, das heißt die Vorzugsrichtung längs und/oder quer zur Längsachse des keramischen Substrats, lässt sich hierbei exakt definieren.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die eine Figur enthaltende Zeichnung näher erläutert wird.
  • Fig. 1 stellt idealisiert ein Temperaturverhalten der Durchbiegung 1 eines durch einen DCB-Prozess hergestellten Metall-Keramik-Substrats gemäß der Erfindung dar. Die Durchbiegung 1 ist in Fig. 1 als Funktion der Temperatur T aufgetragen. Die Durchbiegung 1 ist positiv, wenn sie in die Richtung der plastischeren Metallschicht (Grobkorn) erfolgt, und negativ, wenn sie in die Richtung der weniger plastischen Metallschicht (Feinkorn) erfolgt.
  • Fig. 1 ist eine Hysterese-Kurve zu entnehmen, wobei die durch den Pfeil 2 angegebene Richtung dem Aufheizen des Metall-Keramik-Substrats entspricht und die durch den Pfeil 3 angegebene Richtung dem Abkühlen des Metall-Keramik-Substrats entspricht.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Temperaturverhalten ist beispielhaft für ein Metall-Keramik-Substrat dargestellt, das eine Metallisierung auf seiner Oberseite mit Rp0,2 = 50 MPa (Feinkorn) und auf seiner Unterseite mit Rp0,2 = 30 MPa (Grobkorn) als einzige Asymmetrie aufweist. Ansonsten sind beide Metallisierungen aus demselben Metall (Kupfer) gebildet und weisen dieselbe Dicke auf.
  • Durch das Aufheizen 2 dehnen sich die beiden Metallschichten gegenüber der Keramik stärker aus. Unter Vernachlässigung des Einflusses der Korngröße auf das E-Modul des Kupfers wird symmetriebedingt keine Verformung des Substrats auftreten, bis über die Temperatur T und den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten die Dehngrenze 4 der plastischeren Metallisierungsseite beim Aufheizen 2 erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Spannungsabbau durch plastisches Fließen in der plastischeren Metallisierungsschicht, während die Metallisierungsschicht mit einer höheren Dehngrenze noch weitgehend elastisch verformt. Somit verformt sich das Metall-Keramik-Substrat konkav in Richtung der Metallisierung der höheren Dehngrenze (weniger plastische Metallschicht). Bei weiterer Erhöhung der Temperatur T und somit der Spannung zwischen den Metallisierungen und der Keramik wird dann auch die Dehngrenze 5 der Metallisierungsseite mit der höheren Dehngrenze beim Aufheizen erreicht. Ab diesem Zeitpunkt verformen sich beide Metallisierungsschichten plastisch und die Steigung der Durchbiegung 1 als Funktion der Temperatur T flacht ab.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Parameter a wird bestimmt durch den Unterschied der Dehngrenzen der beteiligten Metallschichten.
  • Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat sowie das Verfahren zu dessen Herstellung sind nicht auf die hierin offenbarte Ausführungsform beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen.
  • In bevorzugter Ausführung wird das erfindungsgemäße Metall-Keramik-Substrat zur Herstellung von elektrischen Schaltkreisen, insbesondere Leistungsschaltkreisen, verwendet.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Durchbiegung
    2
    Aufheizen des Metall-Keramik-Substrats
    3
    Abkühlen des Metall-Keramik-Substrats
    4
    Dehngrenze der plastischeren Metallschicht beim Aufheizen erreicht
    5
    Dehngrenze der weniger plastischen Metallschicht beim Aufheizen erreicht
    6
    Dehngrenze der plastischeren Metallschicht beim Abkühlen erreicht
    7
    Dehngrenze der weniger plastischen Metallschicht beim Abkühlen erreicht
    T
    Temperatur

Claims (8)

  1. Metall-Keramik-Substrat mit einer Keramikplatte oder Keramikschicht und zwei an zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten der Keramikschicht flächig befestigten Metallschichten,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Material der Keramikschicht in Richtung von der einen metallisierten Oberflächenseite zur anderen metallisierten Oberflächenseite einen Dichtegradienten aufweist und/oder beide Metallschichten unterschiedliche Dehngrenzen aufweisen.
  2. Metall-Keramik-Substrat nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beide Metallschichten unterschiedliche Korngrößen aufweisen.
  3. Metall-Keramik-Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beide Metallschichten aus demselben Metall gebildet sind.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats, das eine Keramikplatte oder Keramikschicht und zwei an zwei gegenüberliegenden Oberflächenseiten der Keramikschicht flächig befestigte Metallschichten aufweist, umfassend wenigstens die Schritte:
    - Bereitstellen einer Keramikaufschlämmung auf einer Sinterhilfe,
    - Erhitzen der Keramikaufschlämmung auf eine Sintertemperatur, um eine Keramikschicht zu erhalten,
    - Abkühlen der Keramikschicht,
    - Belegen der ersten Oberflächenseite der Keramikschicht mit der ersten Metallschicht und/oder Belegen der der ersten Oberflächenseite gegenüberliegenden zweiten Oberflächenseite der Keramikschicht mit der zweiten Metallschicht,
    - Erhitzen der in dem vorhergehenden Schritt gebildeten Anordnung aus der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en auf eine Bondtemperatur zur Ausbildung eines Verbunds zwischen der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en durch Bonden,
    - Abkühlen der Anordnung aus der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en,
    - Wiederholen der vorhergehenden drei Schritte, falls bei diesen lediglich eine Oberflächenseite der Keramikschicht mit einer Metallschicht gebondet wurde, bis beide Oberflächenseiten der Keramikschicht mit jeweils einer Metallschicht gebondet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramikaufschlämmung mit einem derart hohen Lösungsmittelanteil versehen wird, dass ein Setzen der auf die Sinterhilfe gegebenen Keramikaufschlämmung ermöglicht wird, bei dem sich durch Gravitationseinfluss größere Partikel der Keramikaufschlämmung am der Sinterhilfe zugewandten Boden der Keramikaufschlämmung und kleinere Partikel der Keramikaufschlämmung an der dem Boden abgewandten Luftseite der Keramikaufschlämmung absetzen und/oder die Keramikschicht mit Metallschichten unterschiedlicher Dehngrenzen gebondet wird.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramikschicht zunächst nur mit einer Metallschicht belegt, erhitzt und abgekühlt wird, wobei das Abkühlen mit einem derart großen Temperaturgradienten erfolgt, dass der Abbau thermomechanischer Spannungen zwischen der Metallschicht und der Keramikschicht durch plastisches Fließen der Metallschicht minimiert wird.
  6. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramikschicht zunächst nur mit einer Metallschicht belegt, erhitzt und abgekühlt wird, wobei die Anordnung aus der Keramikschicht und der Metallschicht nach dem Abkühlen kaltverformt wird.
  7. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Anordnung aus der Keramikschicht und der/den Metallschicht/en auf einer unterliegenden, gewölbten Bondhilfe erhitzt und gebondet wird.
  8. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramikaufschlämmung auf einer gewölbten Sinterhilfe erhitzt und gesintert wird.
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